CN102208853B

CN102208853B - 具有永磁体和聚磁作用的同步旋转电机

Info

Publication number: CN102208853B
Application number: CN201110079605.0A
Authority: CN
Inventors: 让-克劳德.马特; 杰罗姆.勒格兰格
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: EP2372873B1; FR2958466B1; CN102208853A; EP2372873A2; US8508094B2; EP2372873A3; JP2011217602A; JP5961344B2; US20120001511A1; FR2958466A1

Abstract

本发明涉及具有永磁体和聚磁作用的同步旋转电机。根据本发明的电机包括定子(10)和转子(11)。转子是聚磁类型并包括由永磁体(PM)形成的多个交替的北极和南极，该永磁体被容纳在设置在转子的磁性主体中的第一槽(E1)中。每个磁极包括第二槽(E3)，该第二槽大致为径向的并在磁极的磁性主体中、在限定该磁极的两个相继磁体之间被设置。根据本发明，每个磁极包括在第二槽的每侧上、在转子的磁性主体之间形成桥接部(BR)的部分，形成桥接部的该部分包括不大于永磁体宽度尺寸值的大约1倍的磁性主体高度。

Description

具有永磁体和聚磁作用的同步旋转电机

技术领域

本发明涉及具有永磁体和聚磁作用(flux concentration)的同步旋转电机。更特别地，本发明涉及用于例如电动力或混合动力机动车中的发电机或电力牵引马达的应用的该类型旋转电机。

背景技术

由于输出和功率重量比和功率容积比方面的性能改善，目前具有永磁体的同步马达被广泛使用在机动车的牵引领域。此外，稀土永磁体的大量的且在可接受的经济条件之下的可用性使这种电马达的选择对于新世代的机动车是可行的。

这种电马达可被生产有大范围的功率和速度，并将在已知为“轻度混合(mild-hybrid)”和“全混合(full-hybrid)”类型的全电动车辆中和低CO₂车辆中得到应用。

“轻度混合”应用通常涉及8至10KW量级的电马达，例如安装在热力发动机前部并通过传动带联接到该热力发动机的电马达。这种电马达可通过提供转矩电辅助减少热立体容积(thermal cubic capacity)(发动机缩小)，该转矩电辅助特别是在加速时供应辅助功率。此外，还可通过该同一电马达提供低速牵引，例如在城市环境中。“全混合”类型的应用通常涉及30至50KW的马达，用于串联和/或并联类型的结构，具有一个或多个电马达在车辆的牵引链中更成功水平的整合。

在已知的具有永磁体的不同的同步马达中，聚磁类型的同步马达由于其出色的性能特别地引人注目。在这些聚磁马达中，磁体被隐藏在转子的磁性主体中并根据大致径向的结构设置。

在机动车中，用在所有车辆的流通任务的牵引中的电马达承受着各种速度和负荷条件。由去磁通策略(defluxing strategy)(也称为“去磁策略(demagnetisation strategy)”)补充用于实现高速区的最大转矩控制策略似乎是用于控制电马达的适合方案。

为了达到以上目的，期望提供具有永磁体和聚磁作用的同步旋转电机，该同步旋转电机优化了转矩和机械惯量。最大机械转矩必须由该电机提供，并且转子的最小惯量特别地用于帮助速度的增加。

发明内容

根据第一方面，本发明涉及旋转电机，包括装备有定子绕组的定子和转子，转子包括由永磁体形成的多个交替的北极和南极，这些永磁体根据已知为具有聚磁作用的大致径向构造设置，第一槽被设置在转子的磁性主体中并分别容纳有永磁体；转子在其每个磁极中包括第二槽，该第二槽在所涉及磁极的磁性主体中、在限定该磁极的两个接续的永磁体之间大致径向地设置，第二槽参与减少转子的机械惯量；转子在其每个磁极中包括在第二槽的每侧上、在转子的磁性主体之间形成桥接部的部分，并且永磁体大致是矩形的形状，包括具有预设尺寸值的沿转子径向方向的高度、沿转子轴向方向的长度和宽度。

根据本发明，形成桥接部的部分包括不大于永磁体宽度尺寸值的大约1倍的磁性主体高度。

根据本发明的特定特征，形成桥接部的部分包括大于形成转子磁性主体的金属片包的单个(unit)金属片厚度的大约1倍的磁性主体高度。

根据本发明的进一步特定特征，形成桥接部的部分包括小于永磁体宽度尺寸值的大约1.5倍的磁性主体长度。优选地，形成桥接部的部分的磁性主体长度将大于形成转子磁性主体的金属片包的单个金属片厚度的大约1.5倍。

根据本发明的进一步形式的实施例，形成桥接部的部分相对于转子的圆周表面被回退。

根据本发明的进一步特定特征，第二槽包括参与减少转子的机械惯量的顶部部分和参与控制穿过转子中心部分的去磁磁通的底部部分。

根据本发明的进一步特定特征，第二槽的顶部部分具有大致梯形的形状，该梯形的短边大致对应于形成桥接部的部分。

根据本发明的进一步特定特征，第二槽在限定磁极的两个相继的永磁体之间大致是偏心的。

根据本发明的进一步特定特征，转子在所述第二槽的每侧上包括至少一个第三槽，所述第三槽有助于减少转子的惯量并在磁场线的线列(alignment)中取向。

根据其他方面，本发明涉及如下文中简要限定的设计旋转电机转子的尺寸的方法。根据本发明，形成桥接部的部分在尺寸上被限定，以便在由电机提供的最大机械转矩和转子的最小机械惯量之间获得良好折衷方案。

附图说明

本发明的其他特征和优势将在参考以下附图阅读以下多个特定实施方式的描述后得以显现，其中：

图1以简化方式示出了根据本发明的具有永磁体和聚磁作用的可去磁通(defluxable)旋转电机的特定实施方式的结构；

图2示出了实施在图1的电机的转子的磁性主体中的不同槽；

图3示出了永磁体的安装构造，在磁体的顶部末端处合并有条；

图4示出了用于图1的电机的转子永磁体的去磁通电路(defluxingmagnetic circuit)的磁阻网络；

图5是磁体的磁化曲线，显示出这些磁体在其负荷的直线交点处的工作点；

图6a和6b分别示出了在槽E3的每侧上形成转子的磁性主体之间的桥接部的部分的第一和第二实施例；

图7和8分别是作为形成图6a和6b的桥接部的那部分的高度H的函数的转矩和惯量曲线；以及

图9和10分别是作为形成图6a和6b的桥接部的那部分的长度L的函数的电机转矩曲线和转子惯量曲线。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的可去磁通旋转电机的特定实施方式1的结构。电机1是具有隐藏磁体和聚磁作用的类型并包括定子10和转子11。

根据本发明的这种电机的具体实施例是例如应用于已知为“轻度混合”类型机动车的8至10KW的牵引马达。该马达的特定实施方式包括具有60个凹部101的定子10和包括10个交替的北极和南极的转子11。转子11具有100毫米量级的直径和50毫米量级的轴向长度。转子11包括10个永磁体PM，该永磁体具有大致为矩形的形状并具有尺寸：长度(L_zs)×高度(h_a)×宽度(I_a)＝50毫米×25毫米×5毫米。

定子10和转子11传统地装备有形成磁性主体的金属片包。

定子10的凹部101被设置用于接收定子绕组(未示出)并在凹部之间形成多个定子齿。根据实施例的形式，凹部101将被设置用于容纳缠绕在大齿上的集中绕组或分配绕组。

转子11具有通常的多叶柱体形状，每个叶与转子的磁极对应。

磁体PM被径向地设置以便得到聚磁类型的转子结构。在一些形式的实施例中，磁体PM可相对于转子11的半径略微不均衡。磁体PM优选地是稀土永磁体，例如钕铁硼(NeFeB)、钐铁(SmFe)或钐钴(SmCo)类型的磁体或从烧结或粘结铁氧体获得的磁体。

转子10包括形成在其两个面部末端并被设计用于接收其传动轴A的中心孔。需要注意的是，在本发明中，轴A可根据设想的应用由磁性或非磁性材料制造。

转子10还包括槽E1、E2和E3，重复用于每个磁极并在转子的大约整个长度上轴向地延伸。

不具有槽E1、E2和E3的闭合金属片可被设置在转子11的面部末端处，以便帮助转子11的组装。金属片包边缘处的钎焊点(未示出)和平行于中心轴线的贯穿拉杆(未示出)也被设置用于转子11的组装。贯穿拉杆根据应用由磁性或非磁性材料制造。有利地，使拉杆穿过转子11的金属片包的通道可被制成为穿过槽E3。

在该特定实施形式中，每个槽E1、E2和E3的数量都是10个，该数量对应于转子11的磁极数量N＝10。

现在也参考附图2和3以细节描述槽E1、E2和E3。

槽E1形成类似矩形的壳体，用于永磁体PM。槽E1不被磁体PM完全占用，并包括留空的部分，该留空部分实现磁阻和磁垒(magnetic barrier)的功能，用于控制磁通在转子11的磁性主体和磁体PM中的通过。

槽E1通过凹部E10在转子11的外周上显现。凹部E10沿转子11的长度轴向地延伸并因此相对于邻近的磁极界定磁极。第一和第二端头B1、B2因此形成在相邻的磁极中，彼此相对并被设计用于通过抵抗磁体PM上的离心力作用将永磁体PM保持在其壳体中。

磁阻空间E11也被设置在磁体PM的顶部边缘和端头B1、B2的下表面之间。该磁阻空间E11是槽E1被磁体PM留空的空间。

图3示出了永磁体PM在端头B1和B2中的安装的细节。图3中的安装对应于设置了条LM的特定实施方式。

条LM被插置在磁体PM的上表面和端头B1、B2的下表面之间。条LM例如由填充塑料(玻璃纤维填充的环氧树脂类型的树脂)、复合材料或可变形的非磁性金属材料制造。条具有传播作用在磁体PM顶部和端头B1、B2上的机械作用的功能，并具有通过变形吸收磁体PM的任何位移的功能。由发明机构实施的试验已经示出，施加在磁体PM上的离心力可以是显著的。如果电机承受了非常高速的旋转，磁体PM趋向于在离心力的作用下远离转子11的旋转轴线移动，并且端头B1、B2可向转子11外部发生变形。条LM有助于更好地传播端头B2、B2之间的机械应力，并从而通过吸收磁体PM的任何位移(通过变形)减少磁体PM的损坏和/或端头B1、B2的变形的风险。实施的试验已经显示出，为了正确地实现其功能，条的理想厚度至少为0.1毫米。

根据本发明，还设置有端头B1、B2的下表面相对于磁体PM的上表面的倾斜角度α。该倾斜例如可通过斜面获得，该斜面根据应用将具有α＝0.1°至α＝15°的角度。

优选地，如图3所示，存在与该角度α的斜面关联的机械增强，该机械增强通过半径为R的倒圆部获得。该倒圆部在端头B1、B2的下斜表面和形成磁体壳体的内壁的大致为径向的关联表面之间实现。半径R将优选地具有端头B1、B2的深度L_B的0.2至0.9倍的值。例如，半径R将为大约R＝0.5毫米至大约R＝1.5毫米。如图3中可见，斜面或相似物(倒圆部)CF被设置在该实施方式中的磁体PM的上部，以便在磁体PM的边缘上避免与半径R的倒圆部接触。在剩余的描述和所附的权利要求中将仅参照斜面CF，其中术语“斜面”也涵盖例如倒圆部这样的等效物。

由发明机构实施的试验已经示出，对于本发明应用的电机类型，在上述范围内的角度α和半径R可在从0至20000rpm的速度范围中施加的离心力的优化阻力方面获得满意的结果。

条LM允许在两个端头B1和B2上分配机械作用，并在一些情况中可在其厚度足够时不必斜切磁体PM的边缘。

需要注意的是，由凹部E10和磁阻空间E11产生并参与磁体PM的通常极化(在后文描述)的磁阻阻止磁体PM在边缘处的局部去磁。

如图2中更特别地可见，槽E1在其底部部分包括靠近转子11的轴的磁阻空间E12，该磁阻空间在该实施方式中是由空气填充的空间，由磁体PM留空并在产生磁阻时防止磁体PM的局部去磁。

槽E2大致具有磁阻和磁垒的功能，用于控制穿过转子的中心部分的去磁磁通(defluxing magnetic flux)，换言之，在磁性主体中的磁体PM的底部和转子的轴A之间。需要注意的是，在该特定实施方式中，这些槽E2由空气填充。在一定的应用中，这些槽可由具有低相对磁导率的磁性或非磁性材料填充。

槽E3实现多个功能。通常地，其功能大致是有助于(像槽E2)控制穿过转子的中心部分的去磁磁通，并减少转子11的惯量。在该实施方式中，像凹部E10、磁阻空间E11、E12和槽E2一样，这些槽E3由空气填充。在一定的应用中，这些槽还可由低密度的磁性或非磁性材料填充。

需要注意的是，虽然槽E3在此表现为被径向地设置在转子11中，在相继的磁体PM之间居中并形状对称，但在本发明的其他形式的实施例中，槽E3可以既不居中也不形状对称，特别地在其顶部部分。

特别地如图2所示，标记为E4的其他槽被设置在每个磁极中，在槽E3的每侧上。槽E4有助于减少转子11的惯量并位于其之间的磁场线的线列中，以便将磁体PM的磁通通过阻止到最小程度。在该实施方式中，在槽E3的每侧上有两个槽E4。通常地，槽E4的数量可根据应用和可用空间而变化。例如，槽E4的数量可以从1至8变化，尽管对于本发明来说2至3个是适合的方案。

此外，需要注意的是，根据情况，切割金属片的实际规则要求使用作为金属片厚度的1至2倍的材料宽度。换言之，这意味着，例如，在转子的两个相邻的槽之间或转子的槽和外周之间，必须至少存在金属片厚度的1至2倍的材料宽度。因此，例如对于0.35毫米厚的金属片，材料的最小宽度将保持为0.35毫米至0.7毫米。

在该实施方式中，槽E3包括上梯形部E30和底部部分E31。通常地，上梯形部E30可减少转子11的惯量。但是，该上梯形部对电枢磁反应(magnetic reaction)有影响并其尺寸还可被设计为以便参与其控制。底部部分E31是槽E3的一部分，参与控制穿过转子11的中心部分的去磁磁通。部分E31可与磁阻空间E12和槽E2共同地控制磁场线在转子11的中心部分中的通过。

根据本发明，通过磁场线在磁极中的传播的研究对槽E31和E2的定义使其可以优化尺寸获得去磁通磁路。该去磁通磁路的尺寸必须被确定为以便在定子绕组中出现短路时，或在高速将等于短路电流的最大电流被注入定子绕组时，允许围绕磁体PM的磁通通过，以便抵抗由永磁体产生的磁通。

这样的去磁通磁路防止磁体PM中出现能够产生磁体PM不可逆去磁的非常高幅度的去磁磁场。因此必须计算去磁通磁路，以便获得磁体PM的正确的极化作用。

图4示出了定子绕组短路的情况下的永磁体PM周围的等效电路。

在定子绕组短路的情况中，磁体PM的磁场线LC(图2所示)不穿过电机的定子。这些磁场线LC随后通过磁体PM周围形成的电路的低磁阻Rb1和Rb2以及高磁阻Rh被围绕。

高磁阻Rh是穿过端头B1、B2和凹部E10的磁场线LC的通过的磁阻。低磁阻Rb1是在两个相邻的磁极中穿过磁体PM底部每侧的槽E2的磁场线LC的通过的磁阻。低磁阻Rb2是在槽E2和槽E1的相对边缘之间穿过两个磁极的含铁的收缩部S的磁场线LC的通过的磁阻。

由部件B1、B2和S形成的收缩部总的来说在饱和模式下作用。

如图4所示，电路包括与内部磁阻R_a和去磁通磁路的磁阻R_f串联的源FMM，该磁阻R_f大致等效于三个并联的磁阻Rh、Rb1和Rb2。

现在还参考图5描述短路情况中永磁体PM的运作。

对于现代的永磁体，例如NdFeB类型，磁化曲线是如图5所示的大致直线形状。该直线表示为等式：

B_a＝μ_a.H_a+B_r (1)

其中，B_a是磁体PM的磁感应强度，H_a是施加到PM的磁场强度，B_r是PM的残余磁感应强度，μ_a是PM的磁导率。

由发明机构实施的试验已经显示出，为了避免磁体PM的不可逆去磁化作用，期望具有满足以下等式的工作点P：

B_a＝B_r/λ (2)

λ在最小值λ_min和最大值λ_max之间，对于NdFeB类型的磁体PM，该最小值和最大值被决定为等于：

λ_min＝1.7以及

λ_max＝2.5

更通常地，根据磁体的类型，λ可以为1.3至4。

接近λ＝2的值似乎是磁体PM在短路情况中的良好折衷。

为了简化，在此假设磁体PM的磁导率μ_a大致等于绝对磁导率μ_o＝4.π.10^-7H/m。

矩形磁体(例如磁体PM)的磁阻大致通过公式得到：

R_a＝I_a/(μ_o.h_a.L_zs) (3)

其中，如图2所示，I_a是磁体PM的宽度，h_a是PM的高度，L_zs是PM的长度。

产生磁体PM的最终去磁化的矫顽磁场强度H_c以首次近似(firstapproximation)得到：

H_c＝B_r/μ_a (4)

由磁体PM产生的磁通φ_a通过磁感应强度和表面积的乘积得到，即：

φ_a＝B_a.L_zs.h_a (5)

磁通φ_a还通过比得到：

φ_a＝FMM/(R_a+R_f) (6)

磁体PM的磁通势以首次近似得到：

FMM＝B_r.I_a/μ_a (7)

从等式(5)、(6)和(7)得到等式：

B_a.L_zs.h_a＝(B_r.I_a/μ_a)/(R_a+R_f) (8)

接着从等式(8)得到：

R_a+R_f＝(I_a/(μ_a.L_zs.h_a)).(B_r/B_a) (9)

将等式(2)和(3)代入(9)得到：

R_a+R_f＝R_aλ (10)

得到比：

R_f/R_a＝(λ-1) (11)

由于λ必须在λ_min和λ_max之间，得到不等式：

(λ_min-1)≤R_f/R_a≤(λ_max-1) (12)

对于NdFeB类型的磁体PM，λ_min＝1.7并且λ_max＝2.5，得到不等式：

0.7≤R_f/R_a≤1.5 (13)

更通常地，根据磁体的类型，得到不等式：

0.3≤R_f/R_a≤3 (14)

优选地，将选择R_f/R_a＝1，其对应于λ＝2。

根据本发明，可以针对每种磁体类型确定λ_min和λ_max的值。接着，得知被选择用于电机的磁体PM的磁阻R_a，总去磁通磁路的磁阻R_f可从不等式(12)得到。一旦确定总去磁通磁路的磁阻R_f的值，可以优化其在Rh、Rb1和Rb2之间的分布(spread)，以便获得所需的性能。

现在参考图6至10在下文描述部分BR的优化，该部分在槽E3的每侧在转子11的磁性主体之间形成桥接部。

由发明机构实施的试验已经显示出，转子金属片包的该桥接部BR的尺寸是重要的，以便一方面减少转子11的惯性矩，另一方面可以保证获得电机需要的最大转矩。

如图6a和6b可见，示出了两个不同实施方式，桥BR在尺寸上被其高度H和其长度L限定。

由于转子11的机械阻力，这种桥接部BR是必要的。在图6a和6b的实施方式中，桥接部BR在转子11的整个轴向长度上是连续的，以使槽E3在转子11的圆周表面的任何点处都不显现。在图6b的实施方式中，桥接部BR相对于转子的圆周表面回退(set back)，并在定子10和转子11之间在桥接部BR中获得较宽的间隙。在本发明的其他形式的实施例(未示出)中，可通过使槽E3在转子11的圆周表面处显现在外部(例如使一个金属片一分为二)上使桥接部BR不连续。

需要注意的是，图6b的具有回退的桥接部BR的实施方式和上述具有不连续的桥接部BR的实施方式在一定的应用中可以是吸引人的，以便通过减少磁通势中的谐波来降低铁损。在上述实施方式中，转子11和定子10之间的可变间隙(图1、6a和6b中可见)也有助于减少谐波从而减少铁损。

基于附图7和8，由发明机构实施的试验显示出，对于桥接部BR的必须保持为小于永磁体PM宽度I_a的大约一倍(1×I_a)的高度H，可以获得最大转矩(Cmax)和最小惯量(I)之间的良好折衷。

如图7所示，对于等于1×I_a的高度H，获得转矩Cmax。此外，如图8可见，大于1×I_a的高度H将仅导致惯量I的增加，而不增大转矩。

在实用水准上，考虑到上文所述的金属片切割规则，桥接部BR的高度H将为金属片厚度的大约1倍至磁体宽度I_a的大约1倍。因此，例如金属片具有0.35毫米的厚度并且磁体具有5毫米的宽度时，根据本发明，桥接部BR的高度在此将为大约0.35毫米至大约5毫米。

图9和10示出了作为桥接部BR的长度L的函数的转矩Cmax和惯量I曲线。由发明机构实施的试验显示出，对于小于永磁体PM的宽度I_a的大约1.5倍(1.5×I_a)的桥接部BR的长度L，可获得最大转矩和最小惯量之间性能的最好折衷。在实用水准上，桥接部BR可采用的最小长度L将是金属片厚度的1.5倍量级，即对于0.35毫米厚度的金属片，该最小长度大约为0.520毫米。

本发明在此已基于上文中特殊形式的实施例描述。本发明将在用于车辆的电力牵引马达中得到显著应用，用于电动车和混合动力车。但是，必须清楚的是，本发明还将在机动车领域以外的其他领域中得到应用。

Claims

1.一种旋转电机，包括装备有定子绕组的定子(10)和转子(11)，

所述转子包括多个交替的北极和南极，所述北极和南极由根据已知为具有聚磁作用的大致径向构造设置的永磁体(PM)形成，第一槽(E1)被设置在所述转子(11)的磁性主体中并分别容纳所述永磁体(PM)；所述转子在其每个磁极中包括在所涉及的磁极的磁性主体中、在限定所述磁极的两个相继的所述永磁体(PM)之间大致径向地设置的第二槽(E3)，所述第二槽(E3)参与减少所述转子(11)的机械惯量；所述转子在其每个磁极中包括在所述第二槽(E3)的每侧上、在所述转子(11)的磁性主体之间形成桥接部(BR)的部分，并且所述永磁体(PM)大致是矩形的形状，包括具有预设尺寸值的沿所述转子(11)的径向方向的高度(h_a)、沿所述转子(11)的轴向方向的长度(L_zs)和宽度(I_a)，其特征在于，形成桥接部(BR)的所述部分包括不大于所述永磁体(PM)的所述宽度(I_a)的尺寸值的磁性主体高度(H)，

其特征在于，形成桥接部(BR)的所述部分包括大于形成所述转子(11)的磁性主体的金属片包的单个金属片厚度的磁性主体高度(H)，且形成桥接部(BR)的所述部分相对于所述转子(11)的圆周表面回退。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，形成桥接部(BR)的所述部分包括小于所述永磁体(PM)的所述宽度(I_a)的尺寸值的1.5倍的磁性主体长度(L)。

3.根据权利要求1至2中的任一项所述的旋转电机，其特征在于，形成桥接部(BR)的所述部分包括大于形成所述转子(11)的磁性主体的金属片包的单个金属片厚度的1.5倍的磁性主体长度(L)。

4.根据权利要求1至2中的任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述第二槽(E3)包括参与减少所述转子(11)的机械惯量的顶部部分(E30)和参与控制穿过转子(11)中心部分的去磁磁通的底部部分(E31)。

5.根据权利要求4所述的旋转电机，其特征在于，所述顶部部分(E30)具有大致梯形的形状，所述梯形的短边大致对应于形成桥接部(BR)的所述部分。

6.根据权利要求1至2中的任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述第二槽(E3)在限定所述磁极的所述两个相继永磁体(PM)之间大致是偏心的。

7.根据权利要求1至2中的任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述转子(11)在所述第二槽(E3)的每侧上包括至少一个第三槽(E4)，有助于减少所述转子(11)的惯量并大致在磁场线的线列中取向。